CN115343691A - 探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种探测系统，属于光电探测技术领域。本发明的探测系统包括：光学透镜，用于对硅光芯片传输的探测光进行准直整形，还用于对与探测光对应的信号光进行聚焦；硅光芯片，用于选通本振光；通过控制开关状态选通预设光栅，以通过预设光栅将探测光传输至光学透镜，并接收聚焦后的信号光；还用于将本振光与信号光进行干涉混频和中频信号的光电转换；控制处理电路芯片，用于对光电转换后的电流信号进行处理，以得到待测信号。本发明通过控制开关状态选通某些光栅阵元实现全固态的二维扫描及光束的发射和接收，对本振光的选通可以提高本振光的利用效率、接收信噪比。

Description

探测系统

技术领域

发明属于光电探测技术领域，具体涉及一种探测系统。

背景技术

低成本、纯固态、高集成度的片上/微型光电探测系统在机器人视觉、空间非合作目标识别、交通辅助避障、工业自动化/物流/AGV、消费电子等领域具有重要的应用价值。近年来，随着硅光工艺和微系统集成工艺的发展，国内外对光电探测系统的硅基芯片化开展了大量研究。

目前，针对纯固态硅基片上/微型光电探测系统，常见的技术体制是基于光学相控阵（OPA）来实现二维光束扫描，进而实现大视场的光束发射/接收，具体来说，主要有两种方案：一种是在相控阵远场两个方向均使用相位调制，实现二维光束扫描；另一种是在一个方向使用相位调制，另一方向使用波长调节。但是，由于需要对阵列中的所有光学天线进行精确的振幅和相位控制，这使得缩放具有挑战性，因此，到目前为止，大多数具有大像素数和大视场的OPA仅为一维阵列，通过使用可大范围调谐的激光器进行波长调谐，来实现正交方向的扫描。例如，2016年，MIT的Poulton等采用级联的相位调制器和50个光栅天线，优化了相位调制装置和天线结构，制作出一个小体积，大扫描范围的硅基光学相控阵，最终通过相位调制和波长可调光源，实现了二维扫描。2017年，Poulton等在前面工作的基础上，制造出了首个硅基光学相控阵的全固态光电探测接收芯片。2018年，Chung等人展示了具有45°视场角的一维OPA。2020年，Poulton等人报道了具有100°视场角的一维OPA。

然而，基于OPA的集成光电探测接收系统仍存在一定的技术瓶颈。例如，一方面，当要求较大接收视场时，需要扩大相控阵的阵列规模，如果采用二维相位调制进行光束扫描，需要独立的相位调制器对每个阵元进行相位控制，相位控制难度大且损耗增加，即使结合波长扫描的方式实现一维的扫描接收，波长调节范围有限且成本较高，能够实现的光束扫描范围较小，所以此方案不利于实现较大阵列规模的集成；另一方面，当要求较高空间分辨率（扫描分辨率）时，如果采用二维相位调制进行光束扫描，要求二维相位调制器具有较高的相位控制精度，这样不仅会提高控制电路的复杂度和相位控制的难度，而且相位调制所需的能耗会大大增加，不利于可移动设备等低功耗场景的应用。

因此，针对上述技术问题，本发明提出一种新的探测系统。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种探测系统。

本发明提供一种探测系统，包括：

光学透镜，用于对硅光芯片传输的探测光进行准直整形，以及，还用于对与所述探测光对应的信号光进行聚焦；

硅光芯片，用于选通本振光；以及，还用于通过控制开关状态选通预设光栅，以通过所述预设光栅将所述探测光传输至所述光学透镜，并接收聚焦后的所述信号光；以及，还用于将所述本振光与所述信号光进行干涉混频和中频信号的光电转换；

控制处理电路芯片，用于对光电转换后的电流信号进行处理，以得到待测信号。

可选的，所述硅光芯片包括：硅基本体以及集成在所述硅基本体上的硅光开关、硅光环形器、硅基光栅开关阵列、硅光MMI阵列以及硅基探测器阵列；

所述硅光开关，用于对所述本振光进行选通；

所述硅光环形器，用于控制所述探测光的传播方向，以将所述探测光传输至所述硅基光栅开关阵列，并将所述硅基光栅开关阵列回传的信号光传输至所述硅光MMI阵列；

所述硅基光栅开关阵列，用于控制开关状态选通预设光栅，以通过所述预设光栅将探测光传输至所述光学透镜，并接收聚焦后的所述信号光；

所述硅光MMI阵列，用于对所述本振光和所述信号光进行干涉混频；

所述硅基探测器阵列，用于对混频后的相干中频信号光电转换。

可选的，所述硅基光栅开关阵列的阵列规模为M×N，每个阵元包括相对应的发射/接收光栅天线和集成波导光开关，所述集成波导光开关与所述控制处理电路芯片电连接；其中，

所述集成波导光开关，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号打开，以选通与该集成波导光开关相对应的光栅天线，通过选通的所述光栅天线将所述探测光传输至所述光学透镜，并将所述信号光回传至所述硅光环形器。

可选的，所述光学透镜采用微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每个阵元与所述硅基光栅开关阵列中的阵元一一对应；并且，

所述微透镜阵列的结构参数与所述硅基光栅开关阵列的阵元方向以及周期相匹配；以及，

所述硅基光栅开关阵列中光栅天线的发射/接收方向与周期相匹配。

可选的，所述硅光开关的阵列规模为1×M，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号打开，以选通该硅光开关对应的光路，通过选通的光路将所述本振光输出至所述硅光MMI阵列。

可选的，所述硅光环形器采用具有三端口的硅基无源波导器件，所述硅光环形器包括波导耦合器和两个微环；其中，

所述波导耦合器，用于分离所述探测光和所述信号光；

所述两个微环，用于根据热光效应耦合不同频率的光，并将不同频率的光从不同端口输出。

可选的，所述硅光芯片还包括集成在所述硅基本体上的硅光分束器、以及与所述控制处理电路芯片电连接的激光器；其中，

所述激光器，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号，产生连续且频率可调制的光束；

所述硅光分束器，用于将所述光束分为本振光与探测光，且将所述本振光传输至所述硅光开关，所述探测光传输至所述硅光环形器。

可选的，所述硅光分束器采用具有可调节分束比的硅基波导器件，其中，

所述分束比根据所述探测光、所述信号光的损耗以及所述硅基光栅开关阵列的阵列规模进行调节。

可选的，所述控制处理电路芯片包括信号发生电路、信号处理电路以及电源模块；其中，

所述信号发生电路，用于对所述激光器的频率进行调制；

所述信号处理电路，用于对所述硅基探测器阵列中的电流信号进行读出处理，以得到待测信号；

所述电源模块，用于对所述硅基光栅开关阵列进行选通控制；还用于对所述控制处理电路芯片和所述硅光芯片供电。

可选的，所述硅光芯片与所述控制处理电路芯片采用光电异构集成技术进行三维光电集成。

本发明提供一种探测系统，包括：光学透镜，用于对硅光芯片传输的探测光进行准直整形，以及，还用于对与所述探测光对应的信号光进行聚焦；硅光芯片，用于选通本振光；以及，还用于通过控制开关状态选通预设光栅，以通过所述预设光栅将所述探测光传输至所述光学透镜，并接收聚焦后的所述信号光；以及，还用于将所述本振光与所述信号光进行干涉混频和中频信号的光电转换；控制处理电路芯片，用于对光电转换后的电流信号进行处理，以得到待测信号。本发明通过控制开关状态选通某些光栅阵元实现全固态的二维扫描及光束的发射和接收，无需设置独立的相位调节器对每个阵元进行相位控制，以及，通过对本振光的选通，可以提高本振光的利用效率、接收信噪比，本发明的探测系统实现了收发一体化集成设计，可实现二维大视场、高精度、低损耗和高速率的视场扫描与发射/接收。

附图说明

图1为本发明一实施例的探测系统的结构框图；

图2为本发明另一实施例的探测系统的原理示意图；

图3为本发明另一实施例的探测系统各部分的互连关系图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

除非另外具体说明，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“包括”或者“包含”等既不限定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组，也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示技术特征的数量与顺序。

在发明的一些描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“相连”或者“固定”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是通过中间媒体间接连接，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的互相作用关系。以及，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

如图1至图3所示，本发明提供一种收发一体的探测系统，包括：光学透镜110、硅光芯片120以及控制处理电路芯片130；其中，光学透镜110，用于对硅光芯片120传输的探测光进行准直整形，以及，还用于对与探测光对应的信号光（例如，发射/散射的信号光）进行聚焦接收。硅光芯片120，用于选通本振光，以及，还用于控制开关状态选通预设光栅，以将探测光经预设光栅传输至光学透镜110，并经该预设光栅接收聚焦后的信号光；以及，还用于将选通后的本振光与回传至硅光芯片上的信号光进行干涉混频和中频信号的光电转换。控制处理电路芯片130，用于对光电转换后的电流信号进行处理，以得到待测信号。

本实施例通过控制开关状态选通某些光栅阵元实现全固态的二维扫描及光束的发射和接收，无需设置独立的相位调节器对每个阵元进行相位控制，以及，通过对本振光的选通，可以提高本振光的利用效率、接收信噪比，本实施例的探测系统实现了收发一体化集成设计，可实现二维大视场、高精度、低损耗和高速率的视场扫描与发射/接收。

具体地，如图1至图3所示，硅光芯片120包括：硅基本体以及集成在硅基本体上的激光器121、硅光分束器122、硅光开关123、硅光环形器124、硅基光栅开关阵列125、硅光MMI阵列 126（多模干涉器，Multi-Mode Inferometer）以及硅基探测器阵列127；其中，控制处理电路芯片130分别与激光器121、硅光开关123、硅基光栅开关阵列125以及硅基探测器阵列127电连接，激光器121的输出端还与硅光分束器122的输入端光学连接，硅光分束器122的输出端分别与硅光开关123与硅光环形器124的输入端光学连接，硅光开关123与硅光环形器124的输出端分别与硅光MMI阵列126光学连接，硅光环形器124还与硅基光栅开关阵列125相互光学连接，硅基光栅开关阵列125与光学透镜110相对应，以及，硅光MMI阵列126的输出端还与硅基探测器阵列127输入端光学连接。

请继续参考图1至图3所示，本实施例的激光器121，用于根据控制处理电路芯片130的控制信号，产生连续且频率可调制的光束。硅光分束器122，用于将激光器121的发射光光束分为两路，其中一路为本振光，另外一路为探测光，且将本振光传输至硅光开关123，探测光传输至硅光环形器124。硅光开关123，用于根据控制处理电路芯片130的控制信号对本振光进行选通。硅光环形器124，用于控制探测光的传播方向，以将探测光传输至硅基光栅开关阵列125，并将硅基光栅开关阵列125回传的信号光传输至硅光MMI阵列126。硅基光栅开关阵列125，用于根据控制处理电路芯片130的控制信号控制开关状态选通预设光栅，以通过选通的预设光栅将探测光传输至所述光学透镜110，并通过选通的预设光栅接收聚焦后的信号光。硅光MMI阵列126，用于对本振光和信号光进行干涉混频。硅基探测器阵列127，用于对混频后的相干中频信号光电转换。

需要说明的是，本实施例对激光器类型不作具体限定，例如，可采用集成频率可调激光器，该激光器的出射光光频率在控制处理电路芯片输出预失真电流波形控制信号的驱动下可连续调节，具有频率调节范围大、输出线宽窄的特点，与其余硅光器件采用硅基片上异质外延、键合异质集成或片间混合集成的方式实现集成。

进一步地，本实施例的硅光分束器可采用具有可调节分束比的硅基波导器件，其分束比可根据两路光（本振光与探测光）的损耗及硅基光栅开关阵列的阵列规模来进行相应的调节。

更进一步地，本实施例的硅光开关同样为硅基波导器件，开关规模为1×M，用于根据控制处理电路芯片的控制信号开启，以将某些光路选通，本振光经选通的光路输出至硅光MMI阵列。也就是说，在控制处理电路输出电压的控制下，可选通M个输出端的某几路输出本振光，以提高本振光的利用效率和探测系统的信噪比。

更进一步地，本实施例的硅光环形器是一个三端口（例如，端口1、2、3）的硅基无源波导集成器件，由波导耦合器和两个微环组成，其中，波导耦合器，用于分离两束光信号，即将探测光和信号光相隔离；两个微环，用于根据热光效应耦合不同频率的光，并将不同频率的光从不同端口输出。也就是说，基于硅的热光效应，输入光可以严格按照顺序（1→2，2→3，3→1）通过三个端口，从而可实现探测系统中探测光和信号光的隔离和传输方向控制。

应当理解的是，本实施例的微环基于施加电压产生热光效应，基于热光效应，微环耦合的频率发生变化，进而实现将不同频率的光从不同端口输出。

更进一步地，本实施例的硅基光栅开关阵列的阵列规模为M×N，每个阵元包括相对应的发射/接收光栅天线和集成波导光开关，集成波导光开关与控制处理电路芯片电连接；其中，集成波导光开关，用于根据控制处理电路芯片的控制信号打开或关闭，以选通与该集成波导光开关相对应的光栅天线，通过选通的光栅天线将探测光传输至光学透镜，以及，通过选通的光栅天线将信号光回传至硅光环形器。也就是说，在控制处理电路输出信号的控制下，通过选择硅基光栅开关阵列的开关状态，选通某个/某些光栅天线，使探测光/信号光在自由空间中以规定的角度发射/接收，实现高精度二维光束扫描。

本实施例光栅天线和集成波导光开关一体化集成，具有低损耗、高开关速率等优势。以及，每个光栅天线的发射/接收方向和周期都是根据对应的水平和垂直视场角单独设计，即硅基光栅开关阵列的光栅天线的发射/接收方向与周期具有相对应的关系，从而可实现二维大视场的发射/接收。

更进一步地，基于本实施例的硅基光栅开关阵列，其光学透镜可采用微透镜阵列，其中，微透镜中的每个阵元与硅基光栅开关阵列的阵元一一对应；并且，微透镜阵列的结构参数也是根据硅基光栅开关阵列阵元的方向和周期进行匹配性设计，以同时实现硅基光栅开关阵列出射光的准直整形和目标反射/散射信号光的聚焦接收。

更进一步地，硅基探测器阵列可采用波导平衡探测器阵列，包括多个波导平衡探测器，波导平衡探测器数目与硅光MMI阵列中的多模干涉器数目相同，波导平衡探测器与多模干涉器一一对应相连接。以及，硅基探测器阵列的每个平衡探测器由两个光电性能相同的集成光电探测器组成。

更进一步地，本实施例的控制处理电路芯片包括信号发生电路、信号处理电路以及电源模块；其中，信号发生电路，用于对激光器的频率进行调制；信号处理电路，用于对探测器中的电流信号进行处理，以得到探测信号；电源模块，用于对硅基光栅开关阵列进行选通控制，还用于对控制处理电路芯片和硅光芯片供电，也就是说，基于电源模块输出的直流电压控制硅基光栅开关阵列中集成波导光开关的关闭和打开，以实现对硅基光栅开关阵列进行选通，并且，该电源模块还同时具有供电作用。

其中，信号处理电路包括高速跨阻放大器、滤波器、信号处理模块，高速跨阻放大器，用于将探测器输出的电流信号转变为电压信号，并对电压信号进行放大处理；滤波器，用于对放大处理后的电压信号进行滤波处理，以生成低噪声滤波信号；信号处理模块，用于将低噪声滤波信号经算法处理转变为待测信号（距离、速度或三维信息等）。

本实施例的控制处理电路芯片上的信号发生电路、信号处理电路中的跨阻放大器、滤波器、以及信号处理模块采用CMOS工艺集成互连。

本实施例的控制处理电路芯片可实现对激光器的频率调控，硅基光栅开关阵列的选通，以及中频信号读出处理等。

更进一步地，如图3所示，控制处理电路芯片130可以通过引线键合方式与陶瓷基板140进行电气连接，实现陶瓷管壳封装，并实现将光学透镜进行嵌入式封装，进而实现集成光栅开关阵列收发一体探测系统。

本发明通过将各器件通过波导相连接集成在硅基本体上以形成硅光芯片，再将硅光芯片与控制处理电路芯片、光学透镜采用光电异构集成技术进行三维光电集成封装，以形成集成光栅开关阵列收发一体的探测系统，并基于CMOS工艺流片，可大幅实现系统的三维光电集成，实现小型化和全固态，可大幅降低制作成本，实现批量化生产。

基于上述结构，本发明形成的集成光栅开关阵列收发一体探测系统的原理如图2所示，具体如下：集成频率可调的激光器121发出的光通过硅光分束器122分为两束，一束光通过硅光开关123实现本振光的选通，以提高本振光的利用效率和信噪比；另一束光经过硅光环形器124到达硅基光栅开关阵列125，通过控制硅基光栅开关阵列125的开关状态选通某些光栅阵元实现视场扫描，之后通过光学透镜110发射出探测光至待测目标；待测目标的反射/散射光作为信号光被光学透镜110接收并通过硅基光栅开关阵列125入射至硅光环形器124；本振光和信号光在选通的硅光MMI 阵列126和硅基探测器阵列127中进行干涉混频和中频信号的光电转换；上述过程中，集成频率可调激光器121的频率调制控制、硅基光栅开关阵列125的选通控制及中频信号的读出处理均由控制处理电路实现，最终获得待测目标的距离、速度或三维信息。

本发明提出一种探测系统，与现有技术相比具有以下有益效果：

第一、本发明通过控制硅基光栅开关阵列的开关状态选通某些光栅阵元实现视场扫描，而且光栅天线和集成波导光开关一体化集成设计，每个光栅天线的发射/接收方向和周期都是根据对应的水平和垂直视场角单独设计，从而可实现二维大视场、高精度、低损耗和高速率的视场扫描与发射/接收；

第二、本发明采用集成硅光开关对本振光进行选通，可以提高本振光的利用效率及接收信号信噪比，同时由硅光开关控制发射/接收阵列的行选通可大大减少控制信号总数，降低控制的复杂度；

第三、本发明基于硅基器件的集成优势和硅基光栅开关阵列阵元方向和周期的可设计性，使得整个探测系统具备高可扩展性和灵活性，进而实现系统视场、角度分辨率、空间分辨率等性能的持续提升；

第四、本发明将发射和接收一体化实现，具有高集成度、高角度分辨率、大视场角、低功耗、高可扩展性和灵活性等优势，可用于全固态三维成像探测（包括距离、速度及三维信息）。

第五、本发明对硅基器件构成的硅光芯片、微透镜阵列与控制处理电路芯片采用异构集成技术进行集成封装，并基于CMOS工艺流片，可大幅实现系统的三维光电集成，大幅降低制作成本，实现批量化生产。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种探测系统，其特征在于，包括：

光学透镜，用于对硅光芯片传输的探测光进行准直整形，以及，还用于对与所述探测光对应的信号光进行聚焦；

硅光芯片，用于选通本振光；以及，还用于通过控制开关状态选通预设光栅，以通过所述预设光栅将所述探测光传输至所述光学透镜，并接收聚焦后的所述信号光；以及，还用于将所述本振光与所述信号光进行干涉混频和中频信号的光电转换；

控制处理电路芯片，用于对光电转换后的电流信号进行处理，以得到待测信号。

2.根据权利要求1所述的探测系统，其特征在于，所述硅光芯片包括：硅基本体以及集成在所述硅基本体上的硅光开关、硅光环形器、硅基光栅开关阵列、硅光MMI阵列以及硅基探测器阵列；

所述硅光开关，用于对所述本振光进行选通；

所述硅光环形器，用于控制所述探测光的传播方向，以将所述探测光传输至所述硅基光栅开关阵列，并将所述硅基光栅开关阵列回传的信号光传输至所述硅光MMI阵列；

所述硅基光栅开关阵列，用于控制开关状态选通预设光栅，以通过所述预设光栅将探测光传输至所述光学透镜，并接收聚焦后的所述信号光；

所述硅光MMI阵列，用于对所述本振光和所述信号光进行干涉混频；

所述硅基探测器阵列，用于对混频后的相干中频信号光电转换。

3.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述硅基光栅开关阵列的阵列规模为M×N，每个阵元包括相对应的发射/接收光栅天线和集成波导光开关，所述集成波导光开关与所述控制处理电路芯片电连接；其中，

所述集成波导光开关，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号打开，以选通与该集成波导光开关相对应的光栅天线，通过选通的光栅天线将所述探测光传输至所述光学透镜，并将所述信号光回传至所述硅光环形器。

4.根据权利要求3所述的探测系统，其特征在于，所述光学透镜采用微透镜阵列，所述微透镜阵列中的每个阵元与所述硅基光栅开关阵列中的阵元一一对应；并且，

所述微透镜阵列的结构参数与所述硅基光栅开关阵列的阵元方向以及周期相匹配；以及，

所述硅基光栅开关阵列中光栅天线的发射/接收方向与周期相匹配。

5.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述硅光开关的阵列规模为1×M，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号打开，以选通该硅光开关对应的光路，通过选通的光路将所述本振光输出至所述硅光MMI阵列。

6.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述硅光环形器采用具有三端口的硅基无源波导器件，所述硅光环形器包括波导耦合器和两个微环；其中，

所述波导耦合器，用于分离所述探测光和所述信号光；

所述两个微环，用于根据热光效应耦合不同频率的光，并将不同频率的光从不同端口输出。

7.根据权利要求2所述的探测系统，其特征在于，所述硅光芯片还包括集成在所述硅基本体上的硅光分束器、以及与所述控制处理电路芯片电连接的激光器；其中，

所述激光器，用于根据所述控制处理电路芯片的控制信号，产生连续且频率可调制的光束；

所述硅光分束器，用于将所述光束分为本振光与探测光，且将所述本振光传输至所述硅光开关，所述探测光传输至所述硅光环形器。

8.根据权利要求7所述的探测系统，其特征在于，所述硅光分束器采用具有可调节分束比的硅基波导器件，其中，

所述分束比根据所述探测光、所述信号光的损耗以及所述硅基光栅开关阵列的阵列规模进行调节。

9.根据权利要求7所述的探测系统，其特征在于，所述控制处理电路芯片包括信号发生电路、信号处理电路以及电源模块；其中，

所述信号发生电路，用于对所述激光器的频率进行调制；所述信号处理电路，用于对所述硅基探测器阵列中的电流信号进行读出处理，以得到待测信号；

所述电源模块，用于对所述硅基光栅开关阵列进行选通控制；还用于对所述控制处理电路芯片和所述硅光芯片供电。

10.根据权利要求1至9任一项所述的探测系统，其特征在于，所述硅光芯片与所述控制处理电路芯片采用光电异构集成技术进行三维光电集成。

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